- 차세대 나노소재 MoS₂ 정밀 합성·전사 기술 활용…맞춤형 테라제너레이티브 생체소재 구축

- 국제 저명 학술지 ‘Nano Convergence (IF: 13.8, JCR: 상위 8.8%)’에 연구 성과 게재

그림 설명: (왼쪽부터) 공동 교신저자인 가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 강민호 교수, 한양대 신소재공학부 정현도 교수와 

공동 제1저자인 가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 최인호 석사과정생, 한양대 신소재공학부 서종화 박사과정생

본교 바이오메디컬화학공학과 강민호 교수 연구팀과 한양대학교 신소재공학부 정현도 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 환자 맞춤형 3D 프린팅 임플란트 표면에 차세대 나노소재인 ‘이황화몰리브덴(MoS2)’을 손상 없이 균일하게 개질시킨 새로운 생체소재 플랫폼을 개발했다.

 이번 연구는 반도체 분야의 대표적인 소재인 MoS₂를 의료용 생체소재에 적용했을 뿐만 아니라, 독자적인 공정을 도입해 고품질 2D 나노소재를 복잡한 구조의 3D 고분자 임플란트 표면에 상처 없이 입혀냈다는 점에서 기술적 의미가 매우 크다.

 본래 정형외과 임플란트 소재로 많이 쓰이는 PEEK는 뼈와 유사한 탄성률과 우수한 기계적 안정성을 지녔으나, 자체 생체활성이 낮아 세포 부착과 골 융합을 촉진하는 데는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 빛을 받으면 열을 내거나 활성산소를 만드는 MoS2가 차세대 치료 소재로 주목받았지만, 실제 임플란트에 적용하기엔 두 가지 난제가 있었다. 첫째는 두께와 결정성이 정밀하게 제어된 MoS2를 넓은 면적에 균일하게 대량 생산해야 한다는 점이었고, 둘째는 이렇게 생산한 MoS2를 고온 공정에 취약한 3D 고분자 PEEK 표면에 손상 없이 고르게 코팅해야 한다는 점이었다.

 연구팀은 첫 번째 한계를 극복하기 위해 ‘MoO2 nanoseed-initiated APCVD’ 공정을 활용했다. 이 공정은 고결정성 MoO2 나노입자를 MoS2결정 성장의 ‘씨앗(seed)’으로 삼아 성장 방향과 균일성을 정밀하게 제어하는 신규 합성 방식이다. 연구팀은 씨앗 역할을 할 MoO2 전구체를 사파이어 웨이퍼 표면에 고르게 코팅한 뒤 황화 공정을 진행했다. 그 결과, 직경 2인치 웨이퍼 전면에 약 6Å(원자 한 층 수준의 두께)의 단층 MoS2가 균일하게 성장했음을 확인했다.

 이어 연구팀은 합성된 단층 MoS₂를 3D 프린팅 PEEK 임플란트 표면으로 옮기기 위해 ‘polymer-assisted transfer’ 공정을 적용하며 두 번째 난제를 해결했다. 이 공정은 웨이퍼에 합성된 MoO2 위에 지지대 역할을 하는 고분자인 polystyrene(PS)를 얇게 코팅한 뒤, 물을 이용해 이 필름 층을 웨이퍼에서 안전하게 분리해 PEEK 표면으로 옮기고 마지막으로 PS만 제거하는 방식이다. 독자적인 전사 기술 덕분에 고온 공정을 직접 적용할 수 없었던 PEEK 임플란트 표면에도 단층 MoS2를 안정적으로 도입할 수 있었다. 특히 평평한 기판이 아니라 표면 거칠기와 곡률, 미세구조 불균일성을 가진 3D 프린팅 지지체의 넓은 면적에 걸쳐 단층 MoS2를 균일하게 코팅했다는 점에서 혁신성을 인정받았다. 

 이렇게 제작된 ‘MoS2@PEEK’ 플랫폼은 골육종 절제 후 발생하는 불규칙한 골 결손 부위를 환자 맞춤형으로 재건하는 동시에, 잔존 암세포와 세균을 광치료 방식으로 억제하도록 설계됐다. 연구팀은 단층 MoS2 표면 코팅 기술을 통해 기존 PEEK의 생체활성 한계를 보완하고, 단순한 구조 지지체를 치료와 재생이 동시에 가능한 능동형 플랫폼으로 진화시켰다. 

 이 플랫폼은 650nm 파장의 빛을 쬐어주면 활성산소를 생성해 암세포를 사멸시키는 광역학 치료를 유도하고, 808nm 근적외선을 쬐어주면 국소적인 열을 발생시켜 광열 치료를 구현한다. 두 광자극이 함께 작용하면 잔존 골육종 세포 사멸과 항균 효과를 동시에 높일 수 있다. 나아가 808nm의 광열 자극을 정밀하게 제어하면 뼈를 만드는 조골세포와 혈관을 만드는 혈관내피세포의 부착, 증식, 분화에도 긍정적으로 작용해 혈관화 골 재생을 촉진하게 된다.

 본교 바이오메디컬화학공학과 강민호 교수는 “이번 공동 연구를 통해 개발한 플랫폼은 골육종 절제 후 재발 억제, 감염 제어, 골 재생을 하나의 임플란트 시스템 안에서 동시에 달성할 수 있는 차세대 ‘테라제너레이티브(Theragenerative, 치료·재생 융합)’ 전략”이라며 “그동안 실제 임상 적용에 장벽이 있었던 고분자 임플란트 소재에 차세대 나노소재 기술을 성공적으로 융합했다는 점에서 의미가 크며, 앞으로도 항암 효과와 골 재생 효능을 극대화하기 위한 후속 연구에 박차를 가할 것”이라고 밝혔다.

 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 나노·소재기술개발사업 및 기초연구사업, 해양수산부 한국해양수산과학기술진흥원 사업, 범부처재생의료기술개발사업, 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터 사업 지원을 받아 수행됐다.

(그림 1) 연구팀은 MoO₂nanoseed-initiated APCVD 공정으로 대면적의 고결정성 단층 MoS₂를 합성하고,

이를 고분자 보조 전사 공정을 통해 환자 맞춤형 3D-printed PEEK 지지체 표면에 균일하게 전사하여 표면개질에 성공했다.

개발된 MoS₂@PEEK 플랫폼은 650 nm 광역학 치료와 808 nm 광열 치료를 통해 종양 억제 및 항균 효과를 유도하는 동시에,

골아세포와 혈관내피세포의 활성을 높여 혈관화 골 재생을 촉진한다.

(그림 2) MoO2 용액을 웨이퍼 위에 분산시킨 후, MoO2가 분산된 웨이퍼와 황 분말을 이용하여 nanoseed initiated APCVD 방식으로 웨이퍼 위에 MoS2를 성장시켰다.

이후 MoS2가 성장된 웨이퍼 위에 polystyrene을 spin-coating하였고, polymer-assisted transfer 공정을 통해 MoS2를 3D-printed PEEK 표면으로 전사하였다.

(그림 3) 서로 다른 출력 밀도와 조사 시간에서 808nm NIR 조사에 따른 MoS₂@PEEK의 광열 특성과,

650nm 조사 조건에서 SOSG 형광 강도를 통해 평가한 시간 의존적 singlet oxygen 생성의 광역학 특성 데이터와

서로 다른 이중 광자극 처리 후 E. coli의 항균 결과와 골육종 세포 사멸 결과 이미지

(그림 4) 6시간 배양 후 서로 다른 3D 프린팅 PEEK 시편에서 전조골세포의 부착을 보여주는 대표 SEM 이미지 및 형광 이미지.

CCK-8 assay를 통해 평가한 세포 증식률.

7일 및 14일 배양 후 분화 평가를 위한 alkaline phosphatase(ALP) 및 Alizarin Red S(ARS) 염색 결과.